CN206208806U - 一种用于测试工程材料温度应力的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，包括两端无约束温度变形试验装置A、两端约束温度应力试验装置B及对两者提供循环往复高低温环境的环境箱(9)，试验装置A与试验装置B均包括多根导向杆(1)、中间板(2)、上固定板(3)及下固定板(4)，中间板可沿导向杆长度方向来回滑动，试件固连在中间板与下固定板之间；试验装置A还包括位移传感器一(6)，试验B装置还包括拉压力传感器(7)。本实用新型可实现对工程材料具体损伤过程的监测，从而更加有效和直接地测试与评价试件在温度循环变化条件下的受力和变形特性。且结构精简，测试精度高。

Description

一种用于测试工程材料温度应力的试验装置

技术领域

本实用新型涉及工程材料检测设备，特别的，涉及一种用于测试工程材料温度应力的试验装置。

背景技术

由于温度变化，在工程材料内所产生的应力称为温度应力，在各类工程材料和结构的设计中，无不遇到温度应力问题。实际工程中，绝大多数工程结构物都处在温度交替变化的自然环境中，温度应力的影响是无法避免的。温度应力对于这些工程材料和结构是一种重要的荷载，有时甚至会成为导致材料破坏和结构失效的关键因素。所以对于大部分的工程材料和结构，都需要对它们在温度循环变化过程中的变形特性和抵抗温度应力的性能进行分析与评价，针对其相应的服役环境进行试验分析，当分析结果满足要求时方可应用于工程实践中。

目前工程材料抵抗温度应力性能的评价方法主要通过低温时候试件的极限抗拉强度(一般通过温度应力试验机测试试件在某一恒定温度下断裂时所需提供的力)来评价材料抵抗温度应力的性能，而没有考虑温度循环变化过程对其材料产生的损伤累积的影响以及材料的损伤过程，因此需要一种装置来实现这个过程。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，包括用于做对比参考试验的两端无约束温度变形试验装置A与两端约束温度应力试验装置B以及对两者提供循环往复高低温环境的环境箱9：

所述两端无约束温度变形试验装置A与两端约束温度应力试验装置B均包括多根导向杆1、中间板2、上固定板3及下固定板4，所述上固定板与下固定板分别固定在导向杆的上下两端，所述中间板设置于上固定板与下固定板之间，中间板上设有供导向杆穿过的导向孔，中间板可沿导向杆长度方向来回滑动，试件固连在中间板与下固定板之间；

两端无约束温度变形试验装置A还包括设置在试件A内部或表面的温度传感器A5以及设置在试件A外壁上的位移传感器一6；

两端无约束温度变形试验装置B还包括设置在试件B内部或表面的温度传感器B(8)以及固连在中间板与上固定板之间的拉压力传感器7。

优选的，所述导向杆采用因瓦合金杆。

进一步的，两端无约束温度变形试验装置A的中间板与上固定板之间设置有位移传感器二11，且位移传感器二11长度方向的一端与导向杆位于中间板与上固定板之间的部分固连，其另一端与中间板固连，位移传感器二用于对位移传感器一进行校核。

进一步的，所述导向杆的上下两端设有外螺纹，所述上固定板及下固定板通过与导向杆外螺纹旋合的螺母10固定在导向杆上下两端。

进一步的，所述螺母包括位于上固定板及下固定板内侧的内螺母101以及位于上固定板及下固定板外侧的外螺母102，其中，内侧为靠近试件的一侧，外侧为远离试件的一侧。

有益效果：本实用新型的试验装置A与试验装置B分别由环境箱提供多个高低温循环，可实现对工程材料具体损伤过程的监测，从而更加有效和直接地测试与评价试件在温度循环变化条件下的受力和变形特性。通过两端无约束温度变形试验装置A与两端约束温度应力试验装置B对试件进行装夹，结构精简，能有效的消除试验装置本身在温度变化条件下所产生的变形对试验结果的影响，测试精度高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的两端无约束温度变形试验装置A结构示意图；

图2是本发明优选实施例的两端约束温度应力试验装置B结构示意图；

图3-a是本发明优选实施例通过试验A所得到的试件A的应变-时间关系连续曲线图；

图3-b是本发明优选实施例通过试验A所得到的试件A的应变-温度关系封闭曲线图；

图4-a是本发明优选实施例通过试验B所得到的试件B的应力--时间关系连续曲线图；

图4-b是本发明优选实施例通过试验B所得到的试件B的应力-温度关系封闭曲线图；

图5是本发明优选实施例通过参考试验A与试验B得到的试件的应力-应变关系封闭曲线图。

图中：1-导向杆(因瓦合金杆)，2-中间板，3-上固定板，4-下固定板，5-温度传感器A，6-位移传感器一，7-拉压力传感器，8-温度传感器B，9-环境箱，10-螺母，101-内螺母，102-外螺母，11-位移传感器二。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1及图2的用于测试工程材料温度应力的试验装置，包括两端无约束温度变形试验装置A、两端约束温度应力试验装置B及对两者提供循环往复高低温环境的环境箱9：

两端无约束温度变形试验装置A与两端约束温度应力试验装置B均包括多根导向杆1、中间板2、上固定板3及下固定板4，上固定板与下固定板分别固定在导向杆的上下两端，中间板设置于上固定板与下固定板之间，中间板上设有供导向杆穿过的导向孔，中间板可沿导向杆长度方向来回滑动，试件固连在中间板与下固定板之间；

两端无约束温度变形试验装置A还包括设置在试件A内部或表面的温度传感器A5以及设置在试件A外壁上的位移传感器一6；

两端无约束温度变形试验装置B还包括设置在试件B内部或表面的温度传感器B(8)以及固连在中间板与上固定板之间的拉压力传感器7。

本实施例中，导向杆采用因瓦合金杆。

本实施例中，两端无约束温度变形试验装置A的中间板与上固定板之间设置有位移传感器二11，且位移传感器二11长度方向的一端与导向杆位于中间板与上固定板之间的部分固连，其另一端与中间板固连，位移传感器二用于对位移传感器一进行校核。

本实施例中，导向杆的上下两端设有外螺纹，上固定板及下固定板通过与导向杆外螺纹旋合的螺母10固定在导向杆上下两端。

本实施例中，螺母包括位于上固定板及下固定板内侧的内螺母101以及位于上固定板及下固定板外侧的外螺母102，其中，内侧为靠近试件的一侧，外侧为远离试件的一侧。

参见图3～图5为利用本实验装置进行工程材料抵抗温度应力性能的试验与评价，具体包括以下步骤：

1)制作基础试验装置：基础试验装置包括导向杆1、中间板2、上固定板3及下固定板4，所述上固定板与下固定板分别固定在导向杆的上下两端，所述中间板设置于固定板与下固定板之间，中间板上设有供导向杆穿过的导向孔，中间板可沿导向杆长度方向来回滑动；本实施例中，导向杆采用采用四根线膨胀与收缩系数为1.6×10^-6/℃，直径为17.5mm的因瓦合金杆。因瓦合金杆与中间板、上固定板及下固定板为三块钢板，上固定板及下固定板用螺母与瓦合金杆连接，瓦合金杆的位置可根据需要自由调节，用于固定试件或与试件粘接在一起。瓦合金杆的上下两端设有外螺纹，上固定板及下固定板分别通过与导向杆外螺纹旋合的螺母10固定在导向杆上下两端，螺母10包括位于上固定板及下固定板内侧的内螺母以及位于上固定板及下固定板外侧的外螺母。

2)同时或先后进行的两端无约束温度变形试验A与两端约束温度应力试验B；

两端无约束温度变形试验A包括以下步骤：

A-1)制取一组步骤1所得到的基础试验装置作为试验装置A；

A-2)安装试件A：取试件A并在试件A内部安装温度传感器A5，在试件两端外壁连接位移传感器一6，将安装有温度传感器A及位移传感器一的试件A用环氧树脂胶粘接在试验装置A的中间板与下固定板之间；试件安装后旋紧所有螺丝，保证钢板的位置不发生改变。室温放置一段时间保证试件粘结紧密之后再开始进行试验，由于因瓦合金的膨胀系数很小，所以在试验时(温度反复变化时)不会因为试验装置本身的变形而带来试验误差。本实施例中，在中间板与导向柱之间或中间板与上固定板之间固连位移传感器二11，位移传感器二用于对位移传感器一进行校核。

两端约束温度应力试验B包括以下步骤：

B-1)另制取一组步骤1所得到的基础试验装置，在中间板与与导向柱之间或中间板与上固定板之间固连拉压力传感器7，构成试验装置B；本实施例中，拉压力传感器通过顶部带外螺纹的安装杆12与上固定板固连，拉压力传感器通过与安装杆顶部外螺纹旋合的螺母13与上固定板底面设有螺孔，螺纹和短的因瓦合金杆相连，合金杆再与上固定板相连接。

B-2)安装试件B：取材质及成分与试件A相同的试件B并在试件B内部安装温度传感器B8，将安装有温度传感器B的试件B用胶粘齐粘接在试验装置B的中间板与下固定板之间；

试件A与试件B材质、结构、尺寸均相同，本实施例中，试件A与试件B均为沥青混凝土材质的方形柱，尺寸为300×50×50mm，横截面为50×50mm的正方形。在试件A与试件B的制作过程中，将温度传感器A与温度传感器B分别预植入试件A与试件B内，应当指出，若温度传感器A与温度传感器B分别粘贴在试件A与试件B表面，则在粘贴温度传感器A与温度传感器B后，再用隔热密封胶把温度传感器A与温度传感器B封装起来。

3)将分别安装了试件A与试件B的试验装置A与试验装置B置于环境箱9中；

4)启动环境箱对试件A与试件B提供多个高低温循环(图3-a、3-b、4-a、4-b均只体现了三个循环)，每一个高低温循环均使得试件A与试件B从起点温度升高或降低至终点温度，再从终点温度降低或升高至起点温度，其中起点温度及终点温度与试件服役环境的高低温端值相等或相近；本实施例中，起点温度为25℃，终点温度为-35℃，用环境箱调温，使试件A及试件B以(2±0.5)℃/min的速度从25℃降至-35℃，再从-35℃升至25℃，再多次在25℃与-35℃之间反复降温与升温过程，每个高低温循环在试件到终点温度或起点温度后再保温一段时间，每个循环时间为5小时，其中每2.5小时完成半个高低温循环(即完成一次升温或降温)。

在每一个高低温循环过程中实时采集温度传感器A、温度传感器B、拉压力传感器及位移传感器一的数值，位移传感器一用于测试试件A在高低温循环过程中随温度的变化发生的实时应变，拉压力传感器用于约束试件B的变形并测试试件B在高低温循环过程中随温度的变化受到的应力；以温度传感器A与温度传感器B分别反馈的试件A与试件B的实时温度为关联参数，采集每一个高低温循环过程中试件A与试件B在相同的温度下分别对应的实时应变值与实时应力值，得到与各个高低温循环对应的该种工程材料的应力-应变关系封闭曲线(参见图5)；

5)对比各个高低温循环对应的应力-应变关系封闭曲线面积的差值情况，得到该服役环境温度的循环作用下该工程材料内部因非弹性变形(主要包括塑性变形、裂缝、颗粒移动)耗散的能量，从而直观地描述并掌握该工程材料在循环的温度应力作用下造成的损伤和疲劳破坏的发展过程，实现对该工程材料抵抗温度应力性能的评价。

步骤4还包括：根据每一个高低温循环过程中试件A的实时应变值，得到各个高低温循环过程对应的试件A的应变－温度关系封闭曲线(参见图3-b)；

步骤5还包括：根据单个应变—温度关系封闭曲线面积的大小评价材料在试验过程中为抵抗温度变化(即温度应力)而产生弹性变形的能力，根据各个应变—温度关系封闭曲线面积沿应变方向的跳动情况评价材料在试验过程中为抵抗温度循环变化(即循环温度应力)而产生塑性变形的能力，从而反映材料在温度变化的服役条件下以温度循环变化下的变形协调性和体积稳定性。

步骤4还包括：根据每一个高低温循环过程中试件B的实时应力值，得到各个高低温循环过程对应的试件B的应力－温度关系封闭曲线(参见图4-b)；

步骤5还包括：根据单个应力—温度关系封闭曲线面积的大小评价材料在试验过程中为抵抗温度变化(即温度应力)而产生弹性变形的能力，根据各个应力—温度关系封闭曲线面积的差值情况评价材料在试验过程中为抵抗温度循环变化(即循环温度应力)而产生塑性变形的能力，从而反映材料在温度变化的服役条件下以及温度循环变化下的变形协调性和体积稳定性。

步骤4还包括：根据各个高低温循环过程中试件A的实时应变值，得到依次与各个高低温循环过程对应的试件A的应变－时间关系连续曲线(参见图3-a)；

步骤5还包括：根据应变—时间关系连续曲线的波动情况评价材料在试验过程中为抵抗温度循环变化(即循环温度应力)而发生的弹性变形与塑性变形。

步骤4还包括：根据各个高低温循环过程中试件B的实时应力值，得到依次与各个高低温循环过程对应的试件B的应力－时间关系连续曲线(参见图4-a)；

步骤5还包括：根据应力－时间关系连续曲线的波动情况评价材料在试验过程中为抵抗温度循环变化(即循环温度应力)而发生的弹性变形与塑性变形。

本实施例中步骤4与步骤5的具体评价过程如下：

从图3-a可以看出，当温度下降时，沥青混凝土试件会产生收缩变形，当变形到达一定的程度后，试件A的变形进入一个平稳发展的阶段；当环境开始升温后，收缩的沥青混凝土开始释放产生的收缩变形，而向相反方向回弹，当回弹变形到达一定程度后试件变形又进入另一个平稳的发展阶段，但是在每次循环中沥青混凝土试件本身都会因为温度应力的作用而产生一定程度的不可恢复变形(塑性变形)。可以看出，在此试验过程中，沥青混凝土在循环温度应力作用下表现出明显的粘弹性材料的变形特性。

图3-b所示为试件A在试验过程中所产生的应变与温度变化的关系(其中应变为试件A沿长度方向的变化值除以试件的原长)。应变—温度关系封闭曲线的面积可以用以描述材料由于温度变化而产生一定变形时所需要的能量。根据应变—温度关系曲线面积的大小评价材料在试验过程中抵抗由温度变化而使其产生变形的能力，并反映材料在温度变化的服役条件下的变形协调性和体积稳定性。

从图4-a可以清楚的看出，沥青混凝土试件在循环温度应力的作用下表现出明显的应力松弛现象，即在相同的温度变化区间内，试件由于温度变化而产生的应力幅值随着循环次数的增加而逐渐降低。

从图4-b可以看出，在温度变化条件下，应力-温度关系封闭曲线的典型特征为：随着温度的下降试件中的拉伸应力逐渐增大，当达到温度转化点(C点、D点)后(温度应力曲线有松弛和无松弛的临界温度)，应力—温度曲线的斜率变为常数，即试件的受力随着温度的改变成线性变化趋势。

图5所示为该种沥青混凝土试件在循环温度应力作用下的应力—应变关系封闭滞回曲线。滞回曲线的面积代表了沥青混合料在温度变化所引起的变形过程中所吸收的能量。在周期性的温度变化条件下，滞回曲线面积的改变表示在试验过程中***有一部分能量被消耗了，这部分消散的能量一般称为耗散能。耗散能是由沥青混合料的塑性变形、裂缝的出现、骨料颗粒的移动等等因素引起的。随着温度变化或荷载循环作用次数的增加，裂缝的逐渐开展，***的耗散能也会持续的变化。因此，通过耗散能可以直观地描述沥青混合料在循环温度应力作用下造成的损伤和疲劳破坏的发展过程。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，其特征在于，包括用于做对比参考试验的两端无约束温度变形试验装置A与两端约束温度应力试验装置B及对两组试验装置提供循环往复高低温环境的环境箱(9)：

所述两端无约束温度变形试验装置A与两端约束温度应力试验装置B均包括多根导向杆(1)、中间板(2)、上固定板(3)及下固定板(4)，所述上固定板与下固定板分别固定在导向杆的上下两端，所述中间板设置于上固定板与下固定板之间，中间板上设有供导向杆穿过的导向孔，中间板可沿导向杆长度方向来回滑动，试件固连在中间板与下固定板之间；

两端无约束温度变形试验装置A还包括设置在试件A内部或表面的温度传感器A(5)以及设置在试件A外壁上的位移传感器一(6)；

两端无约束温度变形试验装置B还包括设置在试件B内部或表面的温度传感器B(8)以及固连在中间板与上固定板之间的拉压力传感器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，其特征在于，所述导向杆采用因瓦合金杆。

3.根据权利要求1所述的一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，其特征在于，两端无约束温度变形试验装置A的中间板与上固定板之间设置有位移传感器二(11)，且位移传感器二(11)长度方向的一端与导向杆位于中间板与上固定板之间的部分固连，其另一端与中间板固连，位移传感器二用于对位移传感器一进行校核。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，其特征在于，所述导向杆的上下两端设有外螺纹，所述上固定板及下固定板通过与导向杆外螺纹旋合的螺母(10)固定在导向杆上下两端。

5.根据权利要求4所述的一种用于测试工程材料温度应力的试验装置，其特征在于，所述螺母包括位于上固定板及下固定板内侧的内螺母(101)以及位于上固定板及下固定板外侧的外螺母(102)，其中，内侧为靠近试件的一侧，外侧为远离试件的一侧。